Performance Analysis of Mobile Broadband Networks With 5G Trends and Beyond: Urban Areas Scope in Malaysia

Abstract

La performance des services à large bande mobile (MBB) des réseaux mobiles de quatrième génération (4G) et de troisième génération (3G) sur la morphologie urbaine est étudiée en Malaisie sur la base de mesures expérimentales de données de test de conduite. L'objectif de cette étude est de fournir une feuille de route aux fournisseurs de services pour établir un plan réaliste pour les futurs réseaux de cinquième génération (5G). Ce travail s'inscrit dans la continuité de nos travaux antérieurs sur l'étendue des zones rurales en Malaisie. Les données de mesure du MBB ont été recueillies grâce à des tests de conduite menés dans les zones urbaines de quatre États de Malaisie (à savoir Klang Valley/Selangor, Johor, Sarawak et Sabah) afin de caractériser et d'analyser les performances du MBB. Les données recueillies proviennent des villes, des autoroutes et des routes fédérales des États choisis, et englobent trois principaux opérateurs de réseau mobile (ORM). Les données ont été collectées dans un délai de 2 mois, de janvier à février, à l'aide des téléphones intelligents Samsung Galaxy S6. Quatre indicateurs clés de performance (KPI) MBB sont pris en compte dans cette étude (couverture, latence, satisfaction et vitesse) pour deux services MBB (navigation Web et streaming vidéo). Les données de mesure pour caractériser la performance de chaque service MBB ont été collectées à l'aide d'un téléphone intelligent dédié. Des vidéos YouTube avec des résolutions 720p et 1080p ont été diffusées séquentiellement pour évaluer les performances des services de streaming vidéo MBB. Trois sites Web distincts (Google, Instagram et mStar) ont été consultés pour évaluer les performances des services de navigation Web MBB. La méthodologie expérimentale de cette étude intègre plusieurs éléments diversifiés dont quatre états urbains différents, quatre KPI distincts, trois principaux MnO, deux services MBB et deux réseaux radio (4G et 3G), qui sont tous deux accessibles par les smartphones lorsqu'ils sont disponibles pour imiter des scénarios du monde réel. Les résultats de cette étude révèlent que les performances des réseaux radio 4G sont généralement supérieures à celles de la 3G. Par exemple, les réseaux 4G ont obtenu un score vMOS de plus de 3 pour les services de streaming vidéo et de navigation Web MBB, tandis que les réseaux 3G ont obtenu un score inférieur à 3 dans les quatre domaines d'étude. Les résultats expérimentaux analysés ont confirmé que, par rapport aux réseaux 3G, la technologie 4G présente un facteur d'amélioration allant jusqu'à 1,6 et 4,2 en vitesse de téléchargement lors de la diffusion en continu d'une vidéo et de la navigation sur une page Web, respectivement. Les résultats de l'étude peuvent contribuer à la planification efficace des réseaux 5G non autonomes (NSA) en Malaisie, où les réseaux 5G seront aidés par les infrastructures 4G existantes. L'analyse des performances de la couverture 4G est la première étape pour décider du taux de déploiement de la NSA 5G en Malaisie.El rendimiento de los servicios de banda ancha móvil (MBB) de las redes móviles de cuarta generación (4G) y tercera generación (3G) sobre la morfología urbana se estudia en Malasia a partir de mediciones experimentales de datos de pruebas de manejo. El objetivo de este estudio es proporcionar una hoja de ruta para que los proveedores de servicios establezcan un plan realista para las futuras redes de quinta generación (5G). Este trabajo es una continuación de nuestro trabajo anterior para el ámbito de las zonas rurales en Malasia. Los datos de medición de MBB se han recopilado a través de pruebas de manejo realizadas en las áreas urbanas de cuatro estados de Malasia (a saber, Klang Valley/Selangor, Johor, Sarawak y Sabah) para caracterizar y analizar los rendimientos de MBB. Los datos recopilados provienen de las ciudades, autopistas y carreteras federales de los estados elegidos, y abarcan tres operadores de redes móviles (MNO) principales. Los datos se han recopilado en un lapso de tiempo de 2 meses, de enero a febrero, utilizando los teléfonos inteligentes Samsung Galaxy S6. En este estudio se consideran cuatro indicadores clave de rendimiento (KPI) de MBB (cobertura, latencia, satisfacción y velocidad) para dos servicios de MBB (navegación web y transmisión de video). Los datos de medición para caracterizar el rendimiento de cada servicio MBB se han recopilado utilizando un teléfono inteligente dedicado. Los vídeos de YouTube con resoluciones de 720p y 1080p se han transmitido secuencialmente para evaluar el rendimiento de los servicios de transmisión de vídeo de MBB. Se ha accedido a tres sitios web distintos (Google, Instagram y mStar) para evaluar el rendimiento de los servicios de navegación web de MBB. La metodología experimental de este estudio integra varios elementos diversificados que incluyen cuatro estados urbanos diferentes, cuatro KPI distintos, tres MNO principales, dos servicios MBB y dos redes de radio (4G y 3G), ambos accesibles por los teléfonos inteligentes cuando estén disponibles para imitar escenarios del mundo real. Los resultados de este estudio revelan que el rendimiento de las redes de radio 4G es generalmente superior al de 3G. Por ejemplo, las redes 4G lograron una puntuación vMOS de más de 3 tanto para los servicios de transmisión de video MBB como para los de navegación web, mientras que las redes 3G obtuvieron una puntuación inferior a 3 en las cuatro áreas de estudio. Los resultados experimentales analizados confirmaron que, en comparación con las redes 3G, la tecnología 4G presenta un factor de mejora de hasta 1,6 y 4,2 en la velocidad de descarga al transmitir un vídeo y navegar por una página web, respectivamente. Los resultados del estudio pueden contribuir a la planificación eficiente de las redes 5G no independientes (NSA) en Malasia, donde las redes 5G se verán favorecidas por las infraestructuras 4G existentes. Analizar el rendimiento de la cobertura 4G es el primer paso para decidir la tasa de despliegue de NSA 5G en Malasia.The performance of Mobile Broadband (MBB) services of Fourth Generation (4G) and Third Generation (3G) mobile networks over urban morphology is studied in Malaysia based on experimental measurements of drive test data. The aim of this study is to provide a roadmap for service providers to establish a realistic plan for future Fifth Generation (5G) networks. This work is a continuation of our previous work for the scope of rural areas in Malaysia. The MBB measurement data have been gathered through drive tests conducted in the urban areas of four states throughout Malaysia (namely, Klang Valley/Selangor, Johor, Sarawak and Sabah) to characterise and analyse MBB performances. The gathered data are from the cities, highways and federal roads of the chosen states, and encompasses three main Mobile Network Operators (MNOs). Data has been collected in a time span of 2 months, from January to February, using the Samsung Galaxy S6 smartphone handsets. Four MBB Key Performance Indicators (KPIs) are considered in this study (coverage, latency, satisfaction and speed) for two MBB services (web browsing and video streaming). The measurement data for characterising the performance of each MBB service has been collected using a dedicated smartphone handset. YouTube videos with 720p and 1080p resolutions have been sequentially streamed to assess the performance of MBB video-streaming services. Three distinct websites (Google, Instagram and mStar) have been accessed to evaluate the performance of MBB web-browsing services. The experimental methodology of this study integrates several diversified elements including four different urban states, four distinct KPIs, three main MNOs, two MBB services and two radio networks (4G and 3G), which are both accessible by the smartphones when available to mimic real-world scenarios. The results of this study reveal that the performance of 4G radio networks is generally superior to that of 3G. For instance, 4G networks achieved a vMOS score of more than 3 for both MBB video-streaming and web-browsing services, while 3G networks scored less than 3 across all four study areas. The analysed experimental results confirmed that compared to 3G networks, 4G technology presents an enhancement factor of up to 1.6 and 4.2 in download speed when streaming a video and browsing a web page, respectively. The study outcomes can contribute to the efficient planning of non-standalone (NSA) 5G networks in Malaysia where 5G networks will be aided by existing 4G infrastructures. Analysing the 4G coverage performance is the first step towards deciding the deployment rate of NSA 5G in Malaysia.تتم دراسة أداء خدمات النطاق العريض المتنقل (MBB) لشبكات الجيل الرابع (4G) والجيل الثالث (3G) على التشكل الحضري في ماليزيا بناءً على القياسات التجريبية لبيانات اختبار القيادة. تهدف هذه الدراسة إلى توفير خارطة طريق لمقدمي الخدمات لوضع خطة واقعية لشبكات الجيل الخامس المستقبلية. هذا العمل هو استمرار لعملنا السابق لنطاق المناطق الريفية في ماليزيا. تم جمع بيانات قياس MBB من خلال اختبارات القيادة التي أجريت في المناطق الحضرية في أربع ولايات في جميع أنحاء ماليزيا (وهي Klang Valley/Selangor و Johor و Sarawak و Sabah) لتوصيف وتحليل أداء MBB. البيانات التي تم جمعها هي من المدن والطرق السريعة والطرق الفيدرالية في الولايات المختارة، وتشمل ثلاثة مشغلي شبكات الهاتف المحمول الرئيسيين (MNOs). تم جمع البيانات في فترة زمنية مدتها شهران، من يناير إلى فبراير، باستخدام هواتف Samsung Galaxy S6 الذكية. يتم النظر في أربعة مؤشرات أداء رئيسية لـ MBB (KPIs) في هذه الدراسة (التغطية ووقت الاستجابة والرضا والسرعة) لخدمات MBB (تصفح الويب وتدفق الفيديو). تم جمع بيانات القياس لتوصيف أداء كل خدمة MBB باستخدام هاتف ذكي مخصص. تم بث مقاطع فيديو YouTube بدقة 720 بكسل و 1080 بكسل بشكل متسلسل لتقييم أداء خدمات بث الفيديو MBB. تم الوصول إلى ثلاثة مواقع متميزة (Google و Instagram و mStar) لتقييم أداء خدمات تصفح الويب MBB. تدمج المنهجية التجريبية لهذه الدراسة العديد من العناصر المتنوعة بما في ذلك أربع ولايات حضرية مختلفة، وأربعة مؤشرات أداء رئيسية متميزة، وثلاثة أهداف رئيسية متعددة الجنسيات، واثنين من خدمات MBB وشبكتين لاسلكيتين (4G و 3G)، وكلاهما يمكن الوصول إليه بواسطة الهواتف الذكية عندما تكون متاحة لمحاكاة سيناريوهات العالم الحقيقي. تكشف نتائج هذه الدراسة أن أداء شبكات الراديو 4G متفوق بشكل عام على أداء 3G. على سبيل المثال، حققت شبكات 4G درجة vMOS أكثر من 3 لكل من خدمات بث الفيديو وتصفح الويب MBB، في حين سجلت شبكات 3G أقل من 3 في جميع مجالات الدراسة الأربعة. أكدت النتائج التجريبية التي تم تحليلها أنه مقارنة بشبكات الجيل الثالث 3G، تقدم تقنية الجيل الرابع 4G عامل تحسين يصل إلى 1.6 و 4.2 في سرعة التنزيل عند بث الفيديو وتصفح صفحة الويب، على التوالي. يمكن أن تساهم نتائج الدراسة في التخطيط الفعال لشبكات الجيل الخامس غير المستقلة (NSA) في ماليزيا حيث سيتم مساعدة شبكات الجيل الخامس من خلال البنى التحتية الحالية للجيل الرابع. يعد تحليل أداء تغطية الجيل الرابع الخطوة الأولى نحو تحديد معدل نشر الجيل الخامس لوكالة الأمن القومي في ماليزيا.